CN103528664A

CN103528664A - 一种分布式光纤震动传感***

Info

Publication number: CN103528664A
Application number: CN201310325649.6A
Authority: CN
Inventors: 王延; 穆立波; 刘斌禄; 姚剑; 段汉卿; 李新欣
Original assignee: CETC 54 Research Institute
Current assignee: CETC 54 Research Institute
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: CN103528664B

Abstract

本发明公布了一种分布式光纤震动传感***，其包含窄线宽激光器、光放大器、光分路器、第一偏振处理器、第二偏振处理器、第一环行器、第二环行器、第一耦合器，第二耦合器、第一偏振控制单元、第二偏振控制单元、第一光电探测器组、第二光电探测器组、信号处理单元和显示单元。与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：通过在光路中引入第一环行器和第二环行器，形成了一种全新的光路形式，在此基础上设计了一种双M-Z干涉仪技术方案的分布式光纤震动传感***，***具备无失真获取目标信息，目标信息识别，最终形成报警输出功能。

Description

一种分布式光纤震动传感***

技术领域

本发明涉及传感领域，具体为一种分布式光纤震动传感***。

背景技术

现代安全防卫***中及时发现和定位入侵行为具有重要的现实意义。传统的安全防卫***主要有摄像机视频识别、红外线传感、地磁传感等。这些检测方法受设备供电限制、监测距离较短、抗电磁干扰能力弱、维护成本高。分布式光纤震动传感***能测量整个光纤长度上随时间变化的震动信息，具有检测距离远、抗电磁干扰能力强、安装后易维护等优点,已成为防卫***领域最具有应用前景的技术之一。

随着光纤传感技术的进步，基于不同技术方案的分布式光纤传感器得到了深入的研究与讨论，主要包括基于散射效应的OTDR传感器和基于光波干涉效应的干涉型传感器。相比于散射型传感器，干涉型传感器利用前向传输光进行信号处理与目标定位，因此具有灵敏度和动态范围方面的优势。Sagnac干涉技术和M-Z干涉技术是分布式干涉型传感器采用的两种主要技术方案。相比于Sagnac干涉技术，M-Z干涉技术具有解调技术简单，对光源相干性要求低的特点，因此基于双M-Z干涉技术的光纤传感***适合长距离分布式应用。

目前干涉型光纤传感器的解调一般采用相位生成载波(PGC)技术和基于3×3光纤耦合器干涉的被动解调技术。相比于3×3光纤耦合器干涉的被动解调方案，PGC技术具有解调结果失真，动态范围受限，采用外调制产生载波时,光路比较复杂等缺点，因此3X3解调技术得到了广泛应用。

双M-Z干涉仪输出两个具有时延差的干涉信号，时延差与外部作用位置有关。对于时延差的求取，相关分析法以其测量准确、精度高、抗干扰性能好的优点得到了广泛应用，并取得了较好的效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种具备目标信息无失真获取，外界目标信号定位，目标信息识别，最终形成报警信息输出功能的分布式光纤震动传感***。

本发明的技术解决方案如下：

一种分布式光纤震动传感***，包括窄线宽激光器1、光放大器2、光分路器3、第一偏振处理器4、第二偏振处理器5、第一环行器6、第二环行器7、第一耦合器8，第二耦合器9、第一偏振控制单元13、第二偏振控制单元14、第一光电探测器组10、第二光电探测器组11和显示单元15；其特征在于：还包括信号处理单元12；所述的窄线宽激光器1发出的窄线宽激光经过光放大器2放大后进入光分路器3；光分路器3将输入的窄线宽激光分为两路，分别作为M-Z干涉仪光源，其中一路窄线宽激光输出至第一偏振处理器4，另一路窄线宽激光输出至第二偏振处理器5；

第一偏振处理器4在第一偏振控制单元13输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第一环行器6；第一环行器6对第一偏振处理器4输出的经过偏振态处理的光信号转发至第一耦合器8；第一耦合器8将第一环行器6输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第二耦合器9；第二耦合器9将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成三路干涉光信号，一路干涉光信号输出至第二环行器7，另两路干涉光信号输出至第二光电探测器组11；第二环行器7将输入的干涉光信号转发至第二光电探测器组11；第二光电探测器组11对输入的三路干涉光信号进行光电转换处理，输出三路电信号输入至信号处理单元12；

第二偏振处理器5在第二偏振控制单元14输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第二环行器7；第二环行器7对第二偏振处理器5输出的经过偏振态处理的光信号转发至第二耦合器9；第二耦合器9将第二环行器7输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第一耦合器8；第一耦合器8将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成三路干涉光信号，一路干涉光信号输出至第一环行器6，另两路干涉光信号输出至第一光电探测器组10；第一环行器6将输入的干涉光信号转发至第一光电探测器组10；第一光电探测器组10对输入的三路干涉光信号进行光电转换处理，输出三路电信号输入至信号处理单元12；

信号处理单元12对第一光电探测器组10输出的三路信号和第二光电探测器组11输出的三路信号分别进行3X3解调得到两路目标信号，对两路目标信号进行滤波处理并进行相关运算得到目标位置，对两路目标信号进行识别得到目标类型，对目标位置和目标类型进行信息融合并整理为报警格式输出至显示单元15。

其中，所述的信号处理单元12包括第一解调模块16、第二解调模块17、信号相关模块18、报警输出模块19、第一信号调理模块20和第二信号调理模块21；其特征在于：所述的第一光电探测器组10输出的三路电信号输入至第一解调模块16进行3X3信号解调，并将解调后的一路电信号输出至信号相关模块18；所述的第二光电探测器组11输出的三路电信号输入至第二解调模块17进行3X3信号解调，并将解调后的一路电信号输出至信号相关模块18；信号相关模块18对输入的两路电信号进行相关运算得到目标位置，并对两路电信号进行识别得到目标类型，将目标位置和目标类型以数字信号形式输出至报警输出模块19；报警输出模块19将输入的数字信号进行信息融合并整理为报警格式输出至显示单元15；所述的第一光电探测器组10输出的一路电信号输入至第一信号调理模块20，第一信号调理模块20完成信号的滤波放大后，输出至第二偏振控制单元14；第二光电探测器组11输出的第一路电信号输入至第二信号调理模块21，第二信号调理模块21完成信号的滤波放大后，输出至第一偏振控制单元13。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

在光路中引入第一环行器和第二环行器，形成了一种全新的光路形式，在此基础上设计了一种双M-Z干涉仪技术方案的分布式光纤震动传感***，***具备无失真获取目标信息，目标信息识别，最终形成报警输出功能。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的信号处理单元的原理框图；

图3是根据本发明实施方式的信号处理单元双通道解调结果输出图；

图4是根据本发明实施方式的信号处理单元相关运算输出结果图；

图5是根据本发明实施方式的信号处理单元报警信息输出结果图。

具体实施方式

下面结合图1和图2对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种的分布式光纤传感***，包括：包括窄线宽激光器1、光放大器2、光分路器3、第一偏振处理器4、第二偏振处理器5、第一环行器6、第二环行器7、第一耦合器8，第二耦合器9、第一偏振控制单元13、第二偏振控制单元14、第一光电探测器组10、第二光电探测器组11和显示单元15。实施例按图1进行连接线路。

窄线宽激光器（1）作为***光源，用于发射窄线宽信号光；光放大器（2），用于窄线宽信号光放大，使放大后的光信号强度满足***要求；光分路器（3），完成光放大器输出光信号按比例分光，分光后信号分别作为双M-Z干涉仪中每个干涉仪的光源；偏振处理器（4），完成对第一路干涉仪的输入光信号偏振态控制；偏振处理器（5），完成对第二路干涉仪的输入光信号偏振态控制；环行器（6），完成第一干涉仪信号输入及第二干涉仪干涉信号输出功能；环行器（7），完成第二干涉仪信号输入及第一干涉仪干涉信号输出功能；耦合器（8），作为第一路干涉仪输入耦合器和第二路干涉仪输出耦合器，构成M-Z干涉仪；耦合器（9），作为第二路干涉仪输入耦合器和第一路干涉仪输出耦合器，构成M-Z干涉仪；探测器组（10）作为第二路干涉仪输出三路光信号的光电转换元件，完成第二干涉仪震动电信号获取；探测器组（11）作为第一路干涉仪输出三路光信号的光电转换元件，完成第一干涉仪震动电信号获取；信号处理单元（12），作为探测器组（10）和探测器组（11）输出的双路M-Z干涉仪输出的震动电信号的处理单元，完成信号采集，信号3X3解调，双通道信号定位，信号识别，报警输出功能。偏振控制单元（13），利用探测器组（11）输出的第一干涉仪输出信号作为反馈信号，对第一干涉仪输入光信号进行偏振态控制；偏振控制单元（14），利用探测器组（10）输出的第二干涉仪输出信号作为反馈信号，对第二干涉仪输入光信号进行偏振态控制。显示单元（15）完成报警信息显示功能。

如图2所示，所述的信号处理单元12包括第一解调模块16、第二解调模块17、信号相关模块18、报警输出模块19、第一信号调理模块20和第二信号调理模块21。实施例按图2进行连接线路。第一解调模块（16）完成第一光电探测器组10输出三路信号的3X3信号解调；第一解调模块（17）完成第二光电探测器组11输出三路信号的3X3信号解调；信号相关模块（18）完成对输入的两路电信号进行相关运算得到目标位置，并对两路电信号进行识别得到目标类型；报警输出模块（19）将信号相关模块（18）输出的数字信号进行信息融合并整理为报警格式输出至显示单元15；

工作原理：窄线宽激光器发出的窄线宽激光经过光放大器放大后，进入光分路器，然后按照1：1比例分为两路作为每个M-Z干涉仪光源。其中一路光信号通过偏振处理器和环行器后，输入到由第一耦合器和第二耦合器构成的M-Z干涉仪1，其中干涉仪臂长30km，干涉仪输出信号进入第二探测器组完成光电转换，第二探测器组输出信号作为第一偏振控制单元反馈信号对通过第一偏振处理器的光波进行控制，；另一路光信号通过偏振处理器和环行器后，输入到由第二耦合器和第一耦合器构成的M-Z干涉仪2，干涉仪输出信号进入第一探测器组完成光电转换，第一探测器组输出信号作为第二偏振控制单元反馈信号对通过第二偏振处理器的光波进行偏振控制。第一探测器组输出与第二探测器组输出信号输出至信号处理单元，信号处理单元对两路信号进行3X3解调得到目标信号，对两路目标信号进行相关运算得到目标位置，对目标信息识别得到目标类型，通过对以上目标信息综合形成报警信息输出。

在本实施例中，信号处理单元采用750KS/s信号采集速率，在干涉仪距离第一探测器组12km处施加人员走动信号，经信号处理单元3X3解调输出的两通道信号如图3所示，利用信号处理单元中的互相关定位算法对图2所示的两通道信号进行运算，得到如图4所示的相关处理结果，从图中可以看出两路信号的时间差为0.16ms，通过时间差可算得目标位置为12.01km，根据图2信号特征结合***信号特征库，分类识别目标信号。综合以上目标信息形成如图5所示报警信息输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于本发明的保护范围，凡在本发明基础上的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims

1.一种分布式光纤震动传感***，包括窄线宽激光器（1）、光放大器（2）、光分路器（3）、第一偏振处理器（4）、第二偏振处理器（5）、第一环行器（6）、第二环行器（7）、第一耦合器（8），第二耦合器（9）、第一偏振控制单元（13）、第二偏振控制单元（14）、第一光电探测器组（10）、第二光电探测器组（11）和显示单元（15）；其特征在于：还包括信号处理单元（12）；所述的窄线宽激光器（1）发出的窄线宽激光经过光放大器（2）放大后进入光分路器（3）；光分路器（3）将输入的窄线宽激光分为两路，分别作为M-Z干涉仪光源，其中一路窄线宽激光输出至第一偏振处理器（4），另一路窄线宽激光输出至第二偏振处理器（5）；

第一偏振处理器（4）在第一偏振控制单元（13）输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第一环行器（6）；第一环行器（6）对第一偏振处理器（4）输出的经过偏振态处理的光信号转发至第一耦合器（8）；第一耦合器（8）将第一环行器（6）输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第二耦合器（9）；第二耦合器（9）将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成三路干涉光信号，一路干涉光信号输出至第二环行器（7），另两路干涉光信号输出至第二光电探测器组（11）；第二环行器（7）将输入的干涉光信号转发至第二光电探测器组（11）；第二光电探测器组（11）对输入的三路干涉光信号进行光电转换处理，输出三路电信号输入至信号处理单元（12）；

第二偏振处理器（5）在第二偏振控制单元（14）输出的电压信号的控制下对输入的窄线宽激光进行偏振态处理，之后输出至第二环行器（7）；第二环行器（7）对第二偏振处理器（5）输出的经过偏振态处理的光信号转发至第二耦合器（9）；第二耦合器（9）将第二环行器（7）输出的光信号进行耦合处理形成两路传感光信号，之后输出至第一耦合器（8）；第一耦合器（8）将输入的两路传感光信号进行耦合处理形成三路干涉光信号，一路干涉光信号输出至第一环行器（6），另两路干涉光信号输出至第一光电探测器组（10）；第一环行器（6）将输入的干涉光信号转发至第一光电探测器组（10）；第一光电探测器组（10）对输入的三路干涉光信号进行光电转换处理，输出三路电信号输入至信号处理单元（12）；

信号处理单元（12）对第一光电探测器组（10）输出的三路信号和第二光电探测器组（11）输出的三路信号分别进行3X3解调得到两路目标信号，对两路目标信号进行滤波处理并进行相关运算得到目标位置，对两路目标信号进行识别得到目标类型，对目标位置和目标类型进行信息融合并整理为报警格式输出至显示单元（15）。

2.根据权利要求1所述的一种分布式光纤震动传感***，其特征在于：所述的信号处理单元（12）包括第一解调模块（16）、第二解调模块（17）、信号相关模块（18）、报警输出模块（19）、第一信号调理模块（20）和第二信号调理模块（21）；其特征在于：所述的第一光电探测器组（10）输出的三路电信号输入至第一解调模块（16）进行3X3信号解调，并将解调后的一路电信号输出至信号相关模块（18）；所述的第二光电探测器组（11）输出的三路电信号输入至第二解调模块（17）进行3X3信号解调，并将解调后的一路电信号输出至信号相关模块（18）；信号相关模块（18）对输入的两路电信号进行相关运算得到目标位置，并对两路电信号进行识别得到目标类型，将目标位置和目标类型以数字信号形式输出至报警输出模块（19）；报警输出模块（19）将输入的数字信号进行信息融合并整理为报警格式输出至显示单元（15）；所述的第一光电探测器组（10）输出的一路电信号输入至第一信号调理模块（20），第一信号调理模块（20）完成信号的滤波放大后，输出至第二偏振控制单元（14）；第二光电探测器组（11）输出的第一路电信号输入至第二信号调理模块（21），第二信号调理模块（21）完成信号的滤波放大后，输出至第一偏振控制单元（13）。